二维范德瓦耳斯空间中的氧化还原与分子扩散

理解两个化学实体之间的电荷转移(CT)及其电荷密度的后续变化,不仅对分子物种至关重要,对各种低维材料亦然。由于表面原子占比极高,二维(2-D)材料最易发生电荷交换,并因其电荷密度不同而表现出截然不同的物理化学性质。就此而言,自2004年首次报道以来,石墨烯在环境中的自发且不可控电离已造成诸多困惑并给实验重复性带来技术困难。此外,在2-D半导体中很快观察到同样的环境空穴掺杂,这意味着存在一种通用机制,可普遍适用于其他低维材料。在本综述(Account)中,我们回顾了利用2-D晶体揭示隐藏CT反应的化学起源与机理要求方面的突破。我们开发了利用拉曼和光致发光(PL)光谱及成像量化电荷密度的原位光学方法。通过气体与温度控制的原位测量,我们揭示电空穴由氧还原反应(ORR)注入:$O_{2}$ + $4H^{+}$ + $4e^{-}$ $\rightleftharpoons$ $2H_{2}O$,该反应经HCl溶液中的pH依赖性独立验证。除氧气与水蒸气外,整体CT反应还需亲水介电衬底,以辅助样品-衬底界面的水合。界面局域化反应使我们能够通过调节2-D间隙间距和引入缺陷来可视化并控制界面分子扩散与CT。本综述总结的基本电荷交换完整机制,对于探索其他低维材料的材料与器件性质至关重要。